东北多年冻土退化及环境效应研究现状与展望

0 引言

北半球中高纬度地区易受到全球气候变化的影响。大量研究表明，中国平均气温变化趋势与全球平均气温变化趋势一致，特别是东北地区气温升温幅度高于全国的平均升温幅度[1]，是增温最快的地区之一[2-5]。1950-2000年，东北地区年平均气温呈显著上升趋势，且后25年(1976-2000年)的平均气温比前25年(1950-1975年)的平均气温上升了约1 ℃，东北地区东西方向上的气温变化率大于南北方向[6-7]。东北地区增暖幅度随纬度的升高而增大； 1959-2002年间最低气温和最高气温均有增温趋势，而且最低气温的增温趋势明显高于最高气温，前者的年气候倾向率为后者的2倍多； 东北气温的升高存在季节性差异，冬季和春季对东北地区年平均气温上升趋势贡献最大，冬季增温最强[8-10]； 东北地区气温变化的区域性差异表现为大兴安岭北部和小兴安岭地区是增温最明显的地区[6]。魏智等[6]研究表明，1951-1975年的-5 ℃气温等值线在1976-2000年已经不存在。Luo等[11]、 Chang等[12]研究发现，1972-2005年东北多年冻土区地温、 气温和地面融化指数显著上升，年平均地温和气温增长速率为0.61 ℃·(10a)-1和0.72 ℃·(10a)-1，地面融化指数增长速率为9.96 ℃·d·a-1。东北地区变暖已成为不争的事实，多年冻土对气候变化，尤其对气温的变化具有高度的敏感性[13-14]。

如图2所示，四旋翼飞行器实现俯仰运动是通过增加电机1的转速，降低电机3的转速，保持电机2的电机4的转速不变来实现。由于电机2、电机4所受空气反作用力不变，电机1所受空气反作用力增加，电机3所受空气反作用力减少而产生的不平衡力矩会使机身绕Y轴顺时针偏转一定角度飞行，同理，当电机1转速下降，电机3转速上升时机身便会绕Y轴逆时针旋转一定角度飞行，如图3所示为其飞行受力图。

图1 东北地区冻土分布 Fig.1 Distribution of seasonally frozen ground and permafrost in Northeast China

多年冻土被定义为温度在0 ℃或低于0 ℃且至少连续存在两年的岩土层[15]，广泛地分布于高纬度地区和高海拔地区[16]。多年冻土区占北半球陆地面积的1/4左右[17-18]，我国境内多年冻土约占22.3%的国土总面积[19]。东北多年冻土(图1)属于高纬度多年冻土，面积为3.9×105 km2，冻土层厚度从几米到上百米[20]。从多年冻土南界向北，多年冻土面积连续率由5%～20%增加到60%～75%； 多年冻土年平均地温由-1～0 ℃下降到-2.5～-1.5 ℃，最低达-4 ℃[21]； 多年冻土类型由零星岛状多年冻土过渡到岛状融区、 不连续和大片连续多年冻土。大小兴安岭受西伯利亚高压控制，冬季广泛分布着逆温层，加上植被、 松散层厚度等使得多年冻土在地貌部位低的地方更发育，且厚度大、 温度低，与多数高海拔和高纬度多年冻土发育特征截然不同，被称为兴(安)-贝(加尔)型多年冻土。多年冻土年平均地温在0～-4 ℃之间变化[13,20]。多年冻土温度因地而异，高度和纬度是其决定因素[22-23]。高纬度多年冻土通常是气候、 积雪、 地形、 土壤性质等多种因素的产物，而岩性和地质构造是影响地热系统的最重要因素，它们也是影响多年冻土形成、 发育和冻融的重要因子。

东北多年冻土区是欧亚大陆多年冻土区的南缘地带，冻土赋存条件脆弱，冻土的热稳定性差，易受气候和外界环境变化的影响，寒区生态系统敏感性强。伴随着气候的变暖和人为活动影响的增强，东北多年冻土的退化迹象明显，主要表现为下限上移、 地温升高、 活动层厚度增大、 融区扩大、 多年冻土面积减小和南界北移等[24-25]。如大兴安岭北坡是多年冻土发育最好的地区，多年冻土也在退化和消失，部分地区融区范围明显扩大[26]； 伊图里河铁路科研所多年冻土站观测场天然地面14号孔，受周围城镇化和气候变暖影响，多年冻土各深度年平均温度逐年升高，在13 m深度，1984-1997年升高了约0.2 ℃[27]，而1997-2010年升高了约0.4 ℃[28]。东北多年冻土对气温的响应在空间上表现出差异性，南部表现为南界的北移、 融区的扩大、 多年冻土的消失，而北部表现为多年冻土下限的上移、 活动层厚度增大、 地温升高等； 多年冻土退化的一般规律为南部快于北部、 先山区后谷地、 阳坡快于阴坡、 人为影响大于自然影响等[29]。

高纬度多年冻土对气候变化具有高度敏感性，是气候变化的指示器[30-31]。近几十年来，温度升高、 多年冻土退化严重，使得多年冻土体发生变化。随之，多年冻土环境发生变化，森林湿地生态环境已出现恶性循环，影响大气碳循环、 工程基础设施的稳定等。所以，未来应注重冻土微生物的研究以揭示冻土退化温室气体排放的机理问题，厘清气候变化与多年冻土之间关系，冻土退化势必会影响寒区的水资源和水环境以及寒区生态，这些都需要学者对其进行关注。

1 东北多年冻土分布区域变化

1.1 冻土南界变化

一些学者对未来冻土条件变化进行了预测研究。吕久俊等[40]根据气象和雪深数据，采用冻结指数模型预测东北多年冻土的分布，其模拟的结果与孙广友等[37]提出的东北多年冻土分布结果相似。魏智等[14]采用东北多年冻土区47个气象站资料，结合SHAW和非稳态热传导模型的有限元数值计算建立了冻土地表温度分布的等效纬度模型，指出在目前地表温度为0.5 ℃和-0.5 ℃的区域50和100年后各自仍有可能存在冻土，区域地温升高，冻土厚度减薄，稳定型(年平均地温小于-1.0 ℃)冻土面积逐渐减小，将由2011年的1.07×105 km2分别减小至8.8×104 km2(2060年)和5.6×104 km2(2110年)，不稳定型冻土和季节冻土面积增加。多年冻土退化可能引发生态环境的不利变化，如湿地干缩，土地沙漠化(呼伦贝尔和松嫩沙地)进一步扩展和加速，也可能引起与冻土相互作用保持平衡的区域或局地气候和水文(地质)环境变化。所以，尽量减少或避免人为改变冻土赋存条件是保护冻土环境较可行的途径。

辛奎德等[34]根据水文、 地质和生产建设经验等大量调查资料，划定了东北地区多年冻土的南界。东北冻土研究协作组[20]对嘉荫、 德都、 阿尔山和新巴尔虎右旗等十多个地区进行了实地考察，完善了辛奎德等[34]的冻土分布图。郭东信等[33]结合理论分布和数学模型划出了现今多年冻土自然地理南界，南界以年平均气温0 ℃等值线为轴线在0±1 ℃ 间南北摆动，与末次冰期极盛期相比，南界北移了100～150 km。谢又予[35]依据冰缘现象与气温关系推断晚更新世时的多年冻土南界(40°～42° N)基本与现代年均温等温线6～10 ℃相当，现代多年冻土南界(48° N)与年均温0 ℃等温线相当，全新世多年冻土南界比现代冻土南界向南推移了2个纬度。鲁国威等[36]根据大量资料划分出了比较公认的大小安岭多年冻土“W”形地理南界，即西起阿尔山附近，然后沿大兴安岭东坡向东北延伸，经嫩江南侧沿小兴安岭西坡转向东南，绕过伊春后复向东北。至于嘉荫附近，孙广友等[37]提出大小兴安岭多年冻土南界需充分考虑山地效应，大兴安岭多年冻土南界应在黄岗梁南麓通过，小兴安岭多年冻土南界应在呼兰河源中山的南麓通过。周幼吾等[27]提出东北多年冻土地球物理南界与年平均气温-5 ℃等温线基本一致，但在划分冻土南界时一般采用自然地理南界。

1.2 退化表征

东北多年冻土区是高纬度冻土分布区，位于欧亚大陆冻土区的南缘地带，冻土赋存条件脆弱、 热稳定性差，易受气候和外界环境变化的影响，寒区生态系统敏感性强。伴随着气候的变暖和人为活动影响的增强，东北地区多年冻土的退化迹象明显。北部大片连续多年冻土的退化表现为上限下降、 由连续到不连续、 由衔接到不衔接、 地温升高、 冻土层变薄等量变，如漠河县的阿木尔地区10 m深处地温由1975年的-3.7 ℃上升到1978年的-2.5 ℃[29,38]； 南部多为质变，岛状多年冻土萎缩退化为季节冻土，近30年来，岛状多年冻土面积缩小了9×104～10×104 km2[34,39]。

近几十年来，中国出版了一系列多年冻土地图，其中包括1∶4 000 000比例尺的中国冰雪冻土地图[32]。郭东信等[33]总结了东北多年冻土分区及特征，绘制了1∶3 000 000比例尺的东北多年冻土分布图。对于多年冻土南界，许多研究强调了多年冻土“边界”的迁移，多年冻土分布的界线可能不精确。

2 东北多年冻土退化的环境效应

2.1 植被生态系统变化

大量有机碳蕴藏于湿地中，尤其是泥炭地中，它在全球碳平衡中具有重要的作用。湿地与多年冻土具有共生关系，多年冻土中蕴藏着大量的碳[51-52]。多年冻土的变薄或消失可以加速生物地球化学过程，寒区湿地可能会转变为大气碳源，对气候产生积极的反馈作用，加速变暖。

此外，东北多年冻土区工程建设会破坏工程区内植被和土壤，导致工程区地温的升高、 活动层厚度加深、 地下水位上升等，使工程区内出现冻胀丘、 冰椎、 流涎冰等现象[71]。针对多年冻土区冰冻灾害，学者提出了很多防治措施，如热棒、 XPS保温板、 EPS保温板、 保温护道[72-74]。

春季是鸡病高发期的养鸡过程。春季常见的鸡病主要有以下几种：新城疫、大肠杆菌病、呼吸道疾病等。其中，传染性鸡病对养鸡业危害极大，将导致大量的鸡病。在处理过程中存在很大的困难，严重影响养鸡的经济效益。

原使用简易倒车平台尺寸为6.0 m×1.5m，大小与钢板路基箱相同，但由于通行的生活垃圾运输车辆属大吨位车辆，重车总质量最高可达35～40 t，由于车辆对简易倒车平台的覆盖面积相对较小，车辆在简易倒车平台上通行时平台稳定性较差。现对简易倒车平台进行优化改进，将其宽度增加至2.4 m，增加车辆对平台的覆盖面，从而提高车辆通行时平台的稳定性。路基箱棱角去除后，卸料时稳定性有明显提高，两侧采用镂空设计便于清扫，质量适中挖机移动方便。改进型卸料平台如图3所示。

多年冻土与湿地具有共生关系[41]，冻土退化导致有些地区的湿地生态系统向草甸生态系统和农田生态系统转变，并导致林型发生变化。多年冻土退化会使高纬度湿地面积缩小[42]，东北多年冻土区沼泽湿地面积由20世纪50年代的114 000 km2减小至65 700 km2，50年间减少了42.4%[43]； 原始湿地逐渐萎缩，很多沼泽湿地被开垦为农田，而新生湿地扩张，林地被湿地取代[26]。

2.1.2 对森林生态系统的影响

多年冻土退化伴随着多年冻土活动层厚度加深、 冻土厚度变薄、 融区扩大、 热状态失稳等现象，多年冻土环境变化导致森林生态系统发生变化，如植被物种、 生物量、 植被覆盖度和植被生产力等[44]。大兴安岭多年冻土退化明显，冻土环境的改变迫使原始兴安落叶松、 樟子松等大兴安岭主要建群树种林线抬升，明亮针叶林逐渐向落叶针阔混交林演替[26]； 岛状多年冻土大杨树地区，由于冻土的消失大杨树原始兴安落叶松林退化为杨桦次生林[45]； 在西伯利亚北部地区，多年冻土退化会使苔原、 森林苔原和针叶林面积缩小，南部地区的森林草原和草原面积增加，针叶林向森林草原、 草原系统转变[46]。由于多年冻土退化会改善植被生长环境，延长生长期，1982-2009年东北多年冻土区植被NPP整体呈上升趋势，但其增长速率没有东西伯利亚地区植被NPP增长快[47]。另外，多年冻土退化造成土壤中可利用水分的快速蒸发，导致植被生长所需土壤水分减少，使得多年冻土地区草地退化、 植被生物量降低、 植被NPP下降[48]。通过分析东北地区植被的NDVI指数，发现植被覆盖度呈下降趋势[49]，草地NDVI值波动最大，植被NDVI指数变化空间异质性显著[50]。

东北多年冻土区的许多工程问题与气候变化所导致的多年冻土退化有关，多年冻土退化导致地基承载力变小，土壤渗透性的增加，引发冻胀和融沉灾害，使得工程基础设施遭到破坏。铁路是东北多年冻土区最先开发建设的工程项目，由于气候和人为因素的影响，铁路路基下的多年冻土上限变化、 地下冰融化会造成地基的冻胀和融沉，并成为铁路病害的两大重要原因[63]，铁路和公路在运营后还会出现路基融沉变形，而灰色系统、 生长曲线、 混沌时间序列、 人工神经网络、 支持向量机等方法都可以用来预测路基融沉值，为工程建设提供重要的参考依据，从而提高路基的性能和寿命[64-66]。在气候变暖的背景下，对于穿过“温暖”的多年冻土区的工程，采用“路基冷却”方法可以提高路基稳定性[67]。另外，东北多年冻土区是中俄油气资源传输的必经之地之一，多年冻土区会出现威胁管道安全的冻胀、 融沉、 冻胀丘等冻土次生地质灾害以及由管道修建和正油温运营所带来的热融灾害。针对这些灾害，范善智等[68]、 李国玉等[69]、 王永平等[70]从管道属性本身和管道后期维护上提出建立冻胀效应、 油压效应、 热应力效应的输油管道轴向应变设计理论以更好地利用管材的变形性能，同时提出修筑或疏通管道附近的排水通道、 钻孔放水和保温排水渗沟等防治措施。

2.2 土壤碳储量及温室气体排放变化

森林、 湿地和冻土是东北寒区环境的三大要素，三者紧密相连构成东北植被生态系统。近几十年来，受气温、 冻土等因素影响，东北地区生态系统环境发生了一系列变化。

多年冻土退化会使多年冻土区土壤的冻融循环过程发生变化，尤其是冻结和融化的时间长度变化，加之会改变冻土土壤原来的物理属性，多年冻土土壤碳存储和释放与这些变化息息相关，它们的变化影响着土壤碳循环过程。多年冻土区土壤冻融循环过程会产生温室气体(CO2、 CH4和N2O)，多年冻土退化会改变温室气体排放的季节分配模式和排放量。多年冻土退化会使湿地CH4排放出现多个峰值和峰值期提前，在生长季之外，湿地CH4排放也会出现高峰值； 随着气候变暖和多年冻土退化，春季的土壤融冻期提前，使得春季CH4排放高峰期提前，土壤融冻期提前可能会延长生长季，导致生长季CH4排放量在全年中所占的比例可能会提高[53]。融化期变长会使多年冻土区泥炭地CO2和N2O的潜在排放变高[54]。在春季冻融过渡期，湿地CH4最大排放量为48.6 g·cm-2·h-1，是湿地CH4在生长季排放的3倍[55]。同时，Song等[56]在三江平原淡水沼泽地也发现了同样的现象，在冻融交替期CO2、 CH4、 NO2排放量会达到一年中的峰值。随着活动层厚度的增加，多年冻土退化不仅会改变温室气体的排放模式和排放量，还会使多年冻土中存储的古碳以CO2或CH4的形式排放出来。

此外，东北多年冻土区气候变暖，多年冻土退化还影响着土壤湿度和温度的关系，且低土壤湿度和低温会限制矿化速率。这种气候变化影响着泥炭地碳的矿化，随着地温升高，甲烷菌的活性增强，可能会增加CH4转化速率和潜在的CO2排放。所以在气候变暖的情况下，大兴安岭不连续多年冻土泥炭地的碳矿化速率加快，对大气层来说，泥炭地将成为潜在的碳源[57]。西伯利亚多年冻土区土壤湿度变化是决定该地区温室气体排放模式和排放量的重要因素，土壤湿度变化会影响原来的好氧和厌氧环境，改变碳的矿化速率。在潮湿条件下，西伯利亚高山苔原是CH4汇，然而由于多年冻土退化引起地面沉降，高山苔原转变成CH4源，并且在干燥条件下西伯利亚多年冻土苔原生态区的旧碳会流失[58-59]。另外，湿地类型、 土壤深度、 火灾频率会造成小兴安岭土壤碳和总氮浓度的不同。不同类型的湿地其土壤有机碳的浓度不同，如小兴安岭沼泽地的土壤碳浓度比大兴安岭泥炭地的土壤碳浓度低[57]。而不连续的多年冻土退化，引起多年冻土区湿地微地形的变化，形成斑块状热喀斯特湖和池塘，使得多年冻土暴露性增加和深层土壤碳的释放[60]，而在东西伯利亚多年冻土针叶林地区形成的热喀斯特洼地会使这个森林系统可能成为CH4源[61]。Sun等[62]在东北多年冻土区利用涡度相关技术和原位野外试验发现，地表土壤温度和空气压力控制着CH4的季节性动态排放，而且CH4排放空间分布受湿地植物空间分布的影响； 涡度相关技术模型的CH4流通量比原位野外监测模型的CH4流量高28%。多年冻土退化对气候有正、 负两种反馈，哪种反馈占主导地位与区域自然地理环境有很大的关系，但都会扰动现有的碳循环过程和碳平衡，影响气候变化。

大事记，是对本地区、本部门的重大事件，按时间先后顺序所作的简要记述。志书中的大事记，以时为经，以事为纬，纵向勾勒出一个地区历史发展的轮廓和事件发展的线索，是一本志书的缩写和提要。在志书的“述、记、志、传、图、表、录”七种体裁里，“记”就是指大事记，是志书的重要组成部分。

2.3 工程基础设施稳定性变化

对于影视动画作品的创作来说，后期制作是一个重要环节，也是决定作品质量的关键步骤。经过行业工作者的不懈努力，后期制作技术正在走向成熟，在未来，行业人员仍需不断创新，促进后期制作技术向数字性、综合性方面发展，以高水平的后期制作技术保障影视动画的观赏性。

2.1.1 对湿地生态系统的影响

多年冻土退化对地表和大气之间的能量和水交换过程的影响是值得进一步研究的问题。应在未来实施全面的长期监测方案，以进一步了解多年冻土退化对寒区环境的影响机制。另外，要制定或者加强适当的法律法规，保护多年冻土免受退化，如森林禁火，改善环境管理。寒区铁路和公路对环境和可持续发展的影响在寒区内长期存在。但是，要提高以保护多年冻土为原则的工程实践和环保意识，减少工程活动对环境的影响。

3 小结与展望

冰冻圈是全球气候系统五大圈层之一，冻土是冰冻圈的重要组成部分，对气候变化极为敏感。受气候变化的影响，东北多年冻土发生了显著变化，多年冻土上限下降、 活动层厚度加深、 融区扩大、 面积减小等。多年冻土自身对气候的响应使得多年冻土所处的寒区环境发生了一系列变化，湿地面积减小，森林植被物种发生演替，植被覆盖度、 植被生产力等发生变化； 多年冻土土壤物理属性变化和冻融期的变化影响多年冻土碳的释放，对区域甚至全球碳平衡和碳循环带来影响。另外，多年冻土退化也将导致热稳定性差异，进而引起寒区基础设施损坏。

“何事尘缘消未尽，尚留面目在人间。”一读再读诸篇诡异的“忏悔”，我真觉得这些贪官，是一点儿也不要“面目”的……

评价模型中的函数变量和权重因子可采取层次分析法计算获得。根据产品质量信用理论模型，若产品决定型指标出现问题，则f1、f2函数值偏低，表明产品未能维持一个较高质量信用水平的主观意愿，或是不具备实现一个较高质量信用水平的外在表现。若决定型指标没有缺陷，那么产品质量信用水平可根据其在反映型指标函数值的表现判定为高级或者较高级。通过反映型指标考察产品质量信用水平时，需要进行长期的观察。若决定型指标、反映型指标中出现严重缺陷，则产品质量信用水平为低级。根据此评价模型，通过层次分析法确定各级指标函数关系，求解评价指标权重因子，有望破解当前信用体系建设过程中的“数据孤岛”现象[12-13]。

目前对东北多年冻土退化表征、 寒区生态系统和寒区工程建设以及工程维护的研究较多，但对引起多年冻土退化的原因研究尚还存在不足，以及多年冻土退化带来的碳效应和区域气候的影响等问题研究得还不够深入。而多年冻土变化的环境效应在东北地区正日趋显著，多年冻土的未来变化势必会对东北生态与环境安全和水资源产生广泛和深刻的影响，未来应加强以下研究：

(1) 多年冻土动态过程及其对气候变化响应机理。明确气候变化背景下的东北多年冻土的时空变化过程与机理及敏感性分析。多年冻土变化的实质是相变过程，但在这看似简单的固液态水转变过程的背后，将会导致多年冻土各要素变化对气候、 生态、 水文及环境的影响在时空尺度上产生巨大差异。以东北多年冻土诸要素观测网络为基础，构建大气、 土壤、 植被、 多年冻土有机联系的冻土分布耦合模型，利用耦合全球和区域气候系统模式，开展典型浓度路径(RCP)下21世纪东北区域气候与冻土变化情景的预估研究，定量评估气候变化对多年冻土的作用，深入研究冰冻圈与气候相互作用的物理过程与反馈机制，科学地预估未来气候与多年冻土变化，提升对气候系统变化的科学认识水平，减少气候系统模拟和未来气候变化预估的不确定性。

(2) 多年冻土变化影响的多因素相互作用及互馈耦合机制。揭示多年冻土变化对生态系统影响的生物地球化学循环过程及其互馈作用机理； 认识多年冻土对陆地生态系统碳氮循环的影响，明确多年冻土变化对生态系统分布和服务功能的影响； 预估未来多年冻土变化的碳源汇效应。定量评价东北多年冻土碳库及其变化、 多年冻土区CO2和CH4的地-气交换通量及影响机制，明确决定碳转换形式的重要因子； 评价多年冻土和活动层变化对全球碳循环和碳源汇效应的影响[75]。

(3) 多年冻土变化的适应对策。如何适应由于多年冻土变化所导致的气候、 碳循环、 生态与基础设施影响，及由此引发的社会经济问题。在已有的基础性研究上，对东北多年冻土变化进行宏观研究，了解东北多年冻土变化的区域特征，并运用模型预测。以典型案例研究为切入点，以宏观认知为依据，综合考虑自然、 社会、 经济和人文因素，构建东北多年冻土变化的脆弱性评价体系，提出应对东北多年冻土变化的适应性途径，进而提出应对我国多年冻土变化的科学对策。

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